一种土壤及地下水原位化学氧化高压注射优化修复方法技术

本发明专利技术提供了一种土壤及地下水原位化学氧化高压注射优化修复方法，属于土壤及地下水原位修复方法技术领域。①现场试验确定典型地层的注射药剂扩散半径、单孔每延米最大注浆量及可注性参数；②加密补充调查、土壤及地下水数据分析，按空间分布划分为：四个浓度主分区，八个浓度亚分区；③通过优化各分区的单孔每延米注浆量、氧化剂配制浓度及配方的参数，实现各分区修复药剂投加比的优化，具体施工表现为注射过程调整高压注射钻杆的提升速度实现，最终达到降低修复地块药剂投加比参数的目的。本发明专利技术适用于有机污染土壤及地下水的重度、深层污染情形，可解决原位化学氧化修复工程中药剂成本较高、药剂残留的难题，具有较强的工程可操作性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种土壤及地下水原位化学氧化高压注射优化修复方法，属于土壤及地下水原位修复方法

技术介绍
土壤及地下水环境是生态系统的重要组成部分，近年来，随着全球工业化进程，我国土壤污染日益严重，其中有机污染成为重要污染类型之一，不仅破坏生态环境本身，直接或间接危及环境和人体健康安全。更为严重的是，挥发性及半挥发性有机污染物在不饱和区域(包气带)会迁移至深层饱和区域(含水层)，尤其是对地下水资源构成威胁，造成严重后果。目前常用的土壤及地下水修复工程技术分为原位修复与异位修复两种方式，异位修复因涉及污染土壤的清挖、运输、异地修复以及地下水的抽出处理，容易造成污染物的泄露和扩散。原位修复技术受到青睐的重要原因，是因其能解决深层土壤及地下水污染问题，避免了深基坑开挖、降水、二次污染等问题，安全性及经济性也大大提高。美国自上世纪80年代中期以来，已经投入大量资金用于土壤及地下水修复，一些新的原位修复技术应运而生。原位化学氧化(In Situ Chemical Oxidation，ISCO)技术依靠向土壤及地下水投加化学氧化剂，将地下水里的污染物氧化成毒性相对较低的产物(如二氧化碳、水、或氯离子等)，从而达到修复目的，该类技术可同时处理多种污染物，处理效率较高，化学氧化一般不受污染物浓度限制。常用的化学氧化药剂包括芬顿试剂、高锰酸钾、臭氧、活化的过硫酸盐等，可修复土壤及地下水中的苯系物、硝基苯类、石油烃等有机污染物。影响原位化学氧化技术的因素包括：氧化剂在地下水中的扩散、氧化剂类别、氧化剂投加量、污染物类型及浓度等。原位注入两个重要参数设计，a)注入点布孔方式及参数(机械成本)；b)药剂投加比设计(药剂成本)，药剂投加比设计是原位化学氧化修复最关键的设计参数之一。由于挥发性/半挥发性(VOCs/SVOCs)类有机物的物理化学性质的特殊性，其在土壤及地下水中常以吸附态、溶解态、气相(饱和土层相对比例很小)、自由相等四种状态存在，同时存在一定程度的迁移和转化。因此，该类有机污染物在不同地层中分布均一性较差，考虑大部分有机污染物有一定的溶解性，在地下水中同时有一定的分布。污染物在土壤及地下水中运移规律与土层有机质含量、土层的渗透性、土层结构与性质(如土壤密度、密实度、孔隙度)、土层分层特点(如局部含薄夹层或透镜体等)、污染物的特性(溶解度、蒸气压、亨利常数、土-水分配系数等)相关。根据《场地环境调查技术导则》(HJ25.1-2014)要求原场地调查采样单元最基本要求按不大于1600m2(40m×40m网格)设计，该单元规格对于后期修复工程设计远远不够，加之前期场地调查重视程度不足及费用紧张等因素，调查阶段投入工作量较少，大型土壤及地下水修复工程基于原场地调查所获得的污染数据信息欠缺，难以指导修复精细化施工，往往不足以支撑修复工程原位化学氧化工程工艺参数的优化设计，导致修复工程存在工期、成本等方面的压力和风险，尤其对于重度污染区域施工药剂投加设计具有很大的修复风险及经济风险。由于水文地质的复杂性、有机污染物浓度及分布的差异性，亟待通过加密补充调查，对大型污染场地重点地块/区域进行空间的浓度分区识别，从而指导工程修复设计参数的优化。现有的原位化学氧化修复药剂原位投加主要有两种方式：搅拌和注入/注射，其中原位注入/注射分为：Geoprobe钻头高压注射、建井注入(PVC注入井)、Chemgrout注浆技术、深层搅拌原位注浆技术以及其他岩土注浆技术等。美国专利No.5,639,182“土壤原位修复方法”涉及一种原位土壤搅拌方法，它通过移动式履带行进的钻机，配备有可垂直钻进的叶轮钻头，可实现污染土壤的原位搅拌。所采用搅拌钻头为一体式叶轮钻头，因而搅拌深度受到了限制且阻力较大，其应用具有一定的局限性，仅适合于较松散地层的处理。搅拌技术难以实现垂直深度的药剂投加参数的调整。原位钻头直压式注入是把配置好的药剂以一定压力通过注入钻头注入到污染土层并不断搅拌混匀污染土和氧化药剂从而修复污染土壤和地下水。在专利号为US2002/0143226A1和专利号为US006457905的美国专利中公开了两种化学氧化原位钻头注入修复系统，这两种修复系统都通过螺旋钻杆或注射钻头将化学氧化剂注入到污染土壤中。建井注射技术：申请号为201410387735.4的“一种有机污染土壤和地下水原位修复装置及修复方法”、申请号为201410615166.4的“一种修复污染土壤和地下水的原位化学氧化注入装置”等中国专利技术专利中，提到一种建井注射原位化学氧化修复技术，修复前需在修复区域设置注射井的修复方法。这两种专利技术采用间歇式注射方式，在土层垂直深度方向无法控制和实现修复药剂投加比的优化设计及实施。专利号No.US 2003/0069142的美国专利中公开了一种化学氧化注入井注入系统，该装置在装有固体粉末状药剂的筛管前段设置导流挡板，筛管内的药剂溶解后随着地下水流向通过导流挡板扩散到目标区域从而修复污染土壤和地下水。专利号为US2008/0174571A1的美国专利中公开了一种化学氧化原位注入井修复技术，该修复系统通过注入井向地下注入过氧化氢、臭氧及压缩空气氧化修复污染土壤和地下水。这两种专利技术均难以实现在垂直深度方向的药剂投加量的控制。申请号为201510159423.2的“一种铬污染的原位修复方法”中国专利技术专利，药剂投加参数依据注射钻孔的覆盖面积所计算的搭接比(相邻注入点重叠的面积与注入点覆盖面积S的比值)及注射点布孔数量等参数获得，该计算方法的不足在于搭接比参数在工程实施中无法实测，同时药剂投加参数在垂直深度方向未考虑优化。申请号为201410148583.2的“通过原位化学氧化去除水中氯烯烃的方法”中国专利技术专利，提到采用高锰酸钾在表面活性剂辅助下去除水中的有机物三氯乙烯(TCE)、四氯乙烯(PCE)去除率较高，但工程可操作性差，不适宜于土壤及地下水复合污染的情形。以上修复技术应用过程需要一系列的原位修复系统和工艺方法，实现修复药剂的投加的优化。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决目前国内土壤及地下水原位修复工程项目中，普遍存在原场地调查污染数据不足，原位化学氧化修复施工中缺乏主要目标污染物的详细数据信息，难以解决重点污染地块的土壤及地下水修复原位注入布孔参数优化、注浆参数(药剂注射参数)优化、药剂(氧化剂)投加比优化设计问题。现有的原位化学氧化原位注入修复系统及方法，难以解决复杂有机污染地块的土壤及地下水的修复工程优化设计、修复药剂残留难题。进而提供一种土壤及地下水原位化学氧化高压注射优化修复方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种土壤及地下水原位化学氧化高压注射优化修复方法，步骤一：现场试验确定原位化学氧化高压旋喷注射条件下，主要代表性地层的扩散半径、单孔每延米最大注浆量及可注性参数：a)试验条件为：采用气、液二重管工艺，高压注浆泵注射压力25～30Mpa，空压机气泵压力0.7～0.8Mpa；注射药剂采用过硫酸盐(简称K药剂)及液碱活化剂配置的溶液；b)按地层分布特点及规律确定原位注入修复扩散半径：根据前期扩散半径试验数据及经验值，确定所修复地块的原位注入修复药剂扩散半径，自上而下基于最不利地层的渗透性确定该地块的扩本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种土壤及地下水原位化学氧化高压注射优化修复方法，其特征在于，步骤一：现场试验确定原位化学氧化高压旋喷注射条件下，主要代表性地层的扩散半径、单孔每延米最大注浆量及可注性参数：a)试验条件为：采用气、液二重管工艺，高压注浆泵注射压力25～30Mpa，空压机气泵压力0.7～0.8Mpa；注射药剂采用过硫酸盐及液碱活化剂配置的溶液；b)按地层分布特点及规律确定原位注入修复扩散半径：根据前期扩散半径试验数据及经验值，确定所修复地块的原位注入修复药剂扩散半径，自上而下基于最不利地层的渗透性确定该地块的扩散半径；c)最大药剂注射量分析及可注性参数ɑ确定：移动孔隙率及可注性参数满足以下公式：Vinj＝πR20hθmov×1000                   (1)Vv＝πR20hθ1×1000                      (2)α＝(θm/θ1)×100％                      (3)其中，Vinj——最大注浆量L/m；Vv——单位含水层孔隙体积，L/m；R0——药剂有效扩散半径，m；h——单孔延米注浆段，取h＝1m；θ1——总孔隙率，无量纲；θm——移动孔隙率，由于地下水流动而获得的激活孔隙体积，无量纲；ɑ——可注性参数，移动孔隙率占总孔隙率的比例，该值越高说明可注性越高，％，该参数为单轮注射单孔注浆量的设计提供了设计理论依据；步骤二：注入点布设：依据原场地调查数据，按三角形法布设原位注入点的布孔参数L、B，确定修复地块的布孔密度；步骤三：补充加密调查：有机污染场地修复前若重点污染地块的污染浓度数据不足以支持原位化学氧化修复的优化设计，则需进行加密调查，加密调查网格设置遵循以下两条原则：a)补充加密调查网格小于原场地调查网格，补充加密调查网格为原场地调查网格的1/2～1/4，根据场地污染分布复杂情况取值；b)网格划分满足条件a)的情况下，同时考虑高压旋喷注射原位注入点布孔排距设置，采用若干排距整数倍，便于后期原位修复施工优化设计及分区施工；步骤四：土壤及地下水调查结果分析：综合原场地调查、补充加密调查的主要目标污染物的浓度数据进行分析，统计按步骤三确定的单个网格区域的土壤目标污染物的浓度范围及规律，确定单个网格的主要目标污染的特征浓度数据范围以及在垂直深度的分布特点和规律；步骤五：细化分区、注浆参数优化：空间分区基于平面及深度分区，同时考虑修复深度、高压旋喷注浆钻杆参数、地下水分布特点，细化分区为：四个主浓度分区，八个亚浓度分区，具体为：a)平面星级分区：依据步骤四确定的调查分析结论，将确定单个网格的主要目标污染物的特征浓度统计归类合并，按土壤中污染物的空间浓度差异原位注入点施工区域划分按主要目标污染物浓度由低到高依次分为：*、**、***、****浓度分区，共计四个主浓度分区，四个主浓度分区注浆参数优化为：同一主分区采用相同的氧化剂浓度、注射药剂溶液/浆液配方；b)垂直深度两段分区：按垂直浓度显著差异划分为两个深度区间，主分区第一亚层，主分区第二亚层；四个主浓度分区注浆参数优化为：同一主分区采用相同的氧化剂浓度、注射药剂溶液/浆液配方；八个亚浓度分区注浆参数优化为：同一主分区每个钻孔采用相同的单孔注浆量，自下而上第一亚层和第二亚层采用不同的单孔每延米注浆量，施工中通过调节高压注射旋喷钻杆提升速度实现；步骤六：按主分区进行原位化学氧化原位注入修复操作及分区施工，其步骤如下：a)高压旋喷原位注射施工条件同步骤一中所述a)试验条件；根据各主分区代表性污染物浓度，设计相应的单孔注浆量及每延米注浆量，施工中各主分区注入点分别单独编号，便于施工记录及识别；b)同一浓度主分区的各浓度亚分区必须采用同一药剂配方，即注射药剂溶液/浆液采用同一氧化剂浓度；c)不同浓度主分区的各浓度亚分区采用不同药剂配方，即注射药剂溶液/浆液采用不同氧化剂浓度；d)各浓度亚分区的单孔每延米注浆量参数优化为：*(V1，V2)、**(V3，V4)、***(V5，V6)、****(V7，V8)，即根据垂直污染分布情况每个主浓度分区单孔每延米注浆量采用两个不同取值的参数；施工中表现为完成单孔下段药剂注射操作后，需调整高压注浆钻杆的提升速度，以完成单孔上段的药剂注射操作；e)不同主分区投入不同的原位注入高压旋喷设备进行施工，同一设备不可在不同主分区之间交叉作业；步骤七：原位化学氧化高压旋喷注射分区药剂综合投加比的优化：a)单孔注浆量参数优化过程及特征：按主分区优化为：*、**、***、****，V1～V8取值根据步骤一所确定的可注性参数范围来调整，并通过药剂配比、注射氧化剂配置浓度来反算优化，以满足理论计算药剂投加比设计值的要求；b)各分区药剂投加比按如下公式计算：*分区：C1%=N1*K1%*[V1*(H-H1)+V2*H1&rs...

【技术特征摘要】
1.一种土壤及地下水原位化学氧化高压注射优化修复方法，其特征在于，步骤一：现场试验确定原位化学氧化高压旋喷注射条件下，主要代表性地层的扩散半径、单孔每延米最大注浆量及可注性参数：a)试验条件为：采用气、液二重管工艺，高压注浆泵注射压力25～30Mpa，空压机气泵压力0.7～0.8Mpa；注射药剂采用过硫酸盐及液碱活化剂配置的溶液；b)按地层分布特点及规律确定原位注入修复扩散半径：根据前期扩散半径试验数据及经验值，确定所修复地块的原位注入修复药剂扩散半径，自上而下基于最不利地层的渗透性确定该地块的扩散半径；c)最大药剂注射量分析及可注性参数ɑ确定：移动孔隙率及可注性参数满足以下公式：Vinj＝πR20hθmov×1000 (1)Vv＝πR20hθ1×1000 (2)α＝(θm/θ1)×100％ (3)其中，Vinj——最大注浆量L/m；Vv——单位含水层孔隙体积，L/m；R0——药剂有效扩散半径，m；h——单孔延米注浆段，取h＝1m；θ1——总孔隙率，无量纲；θm——移动孔隙率，由于地下水流动而获得的激活孔隙体积，无量纲；ɑ——可注性参数，移动孔隙率占总孔隙率的比例，该值越高说明可注性越高，％，该参数为单轮注射单孔注浆量的设计提供了设计理论依据；步骤二：注入点布设：依据原场地调查数据，按三角形法布设原位注入点的布孔参数L、B，确定修复地块的布孔密度；步骤三：补充加密调查：有机污染场地修复前若重点污染地块的污染浓度数据不足以支持原位化学氧化修复的优化设计，则需进行加密调查，加密调查网格设置遵循以下两条原则：a)补充加密调查网格小于原场地调查网格，补充加密调查网格为原场地调查网格的1/2～1/4，根据场地污染分布复杂情况取值；b)网格划分满足条件a)的情况下，同时考虑高压旋喷注射原位注入点布孔排距设置，采用若干排距整数倍，便于后期原位修复施工优化设计及分区施工；步骤四：土壤及地下水调查结果分析：综合原场地调查、补充加密调查的主要目标污染物的浓度数据进行分析，统计按步骤三确定的单个网格区域的土壤目标污染物的浓度范围及规律，确定单个网格的主要目标污染的特征浓度数据范围以及在垂直深度的分布特点和规律；步骤五：细化分区、注浆参数优化：空间分区基于平面及深度分区，同时考虑修复深度、高压旋喷注浆钻杆参数、地下水分布特点，细化分区为：四个主浓度分区，八个亚浓度分区，具体为：a)平面星级分区：依据步骤四确定的调查分析结论，将确定单个网格的主要目标污染物的特征浓度统计归类合并，按土壤中污染物的空间浓度差异原位注入点施工区域划分按主要目标污染物浓度由低到高依次分为：*、**、***、****浓度分区，共计四个主浓度分区，四个主浓度分区注浆参数优化为：同一主分区采用相同的氧化剂浓度、注射药剂溶液/浆液配方；b)垂直深度两段分区：按垂直浓度显著差异划分为两个深度区间，主分区第一亚层，主分区第二亚层；四个主浓度分区注浆参数优化为：同一主分区采用相同的氧化剂浓度、注射药剂溶液/浆液配方；八个亚浓度分区注浆参数优化为：同一主分区每个钻孔采用相同的单孔注浆量，自下而上第一亚层和第二亚层采用不同的单孔每延米注浆量，施工中通过调节高压注射旋喷钻杆提升速度实现；步骤六：按主分区进行原位化学氧化原位注入修复操作及分区施工，其步骤如下：a)高压旋喷原位注射施工条件同步骤一中所述a)试验条件；根据各主分区代表性污染物浓度，设计相应的单孔注浆量及每延米注浆量，施工中各主分区注入点分别单独编号，便于施工记录及识别；b)同一浓度主分区的各浓度亚分区必须采用同一药剂配方，即注射药剂溶液/浆液采用同一氧化剂浓度；c)不同浓度主分区的各浓度亚分区采用不同药剂配方，即注射药剂溶液/浆液采用不同氧化剂浓度；d)各浓度亚分区的单孔每延米注浆量参数优化为：*(V1，V2)、**(V3，V4)、***(V5，V6)、****(V7，V8)，即根据垂直污染分布情况每个主浓度分区单孔每延米注浆量采用两个不同取值的参数；施工中表现为完成单孔下段药剂注射操作后，需调整高压注浆钻杆的提升速度，以完成单孔上段的药剂注射操作；e)不同主分区投入不同的原位注入高压旋喷设备进行施工，同一设备不可在不同主分区之间交叉作业；步骤七：原位化学氧化高压旋喷注射分区药剂综合投加比的优化：a)单孔注浆量参数优化过程及特征：按主分区优化为：*、**、***、****，V1～V8取值根据步骤一所确定的可注性参数范围来调整，并通过药剂配比、注射氧化剂配置浓度来反算优化，以满足理论计算药剂投加比设计值的要求；b)各分区药剂投加比按如下公式计算：*分区： C 1 % = N 1 * K 1 % * [ V 1 * ( H - H 1 ) + V 2 * H 1 ] V * 1 * A 1 * H * ρ - - - ( 4 ) ]]>**分区： C 2 % = N 2 * ...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨乐巍，汪福旺，张岳，李书鹏，郭丽莉，宋晓威，陈凡，尹鹏程，崔双超，刘岩，牛强，
申请(专利权)人：北京建工环境修复股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11